钻井及井控综合性仿真实训平台建设

郭辛阳， 史玉才， 刘瑞文， 步玉环， 张 锐， 金业权

(中国石油大学 石油工程学院，山东 青岛 266580)



钻井及井控综合性仿真实训平台建设

郭辛阳， 史玉才， 刘瑞文， 步玉环， 张 锐， 金业权

(中国石油大学 石油工程学院，山东 青岛 266580)

平台利用模拟装置和计算机多媒体技术在室内实现了对钻井及井控工艺流程的仿真模拟，通过计算机控制下的分布式智能网络控制器，把所有设备通过组态软件下的网络通信连为一体，通过3D动画同步控制技术把地面及井下状态实时反馈和展示出来。学生在该平台上可以进行钻进过程操作、钻进过程中井下复杂情况判断、起下钻过程操作、关井程序操作和压井操作等钻井及井控方面的实训，既是对理论学习的很好补充，又提高了实践操作能力。该平台的实训环境安全、实训成本较低，将在专业课教学中发挥重要的作用。

钻井； 井控； 仿真实训平台

0 引 言

实训教育是指根据人才培养目标和用人单位需求，对学生进行职业技术应用能力训练的教学过程[1-9]。是大学教育的一个重要组成部分。

作为第一批国家特色专业——中国石油大学石油工程专业，其特点是专业课内容与现场生产实践联系紧密[10-12]。近些年来，由于招生规模的扩大和现场实际生产条件的限制，在现场开展实训教学的难度不断加大，特别是作为高危行业的石油钻井，学生只能以参观的形式进行学习，不能进行实际的操作训练，造成学生对现场工艺流程缺乏必要的认识。在涉及与现场相关的问题时，时常出现与实际脱节现象。因此，探索在室内进行仿真实训来解决“钻井工程”方向的实训问题，但是目前缺乏相应的实训教学设备。

针对石油工程专业“钻井工程”方向专业课教学中缺乏相关实训设备的问题，进行了钻井及井控综合性仿真实训平台建设。利用模拟装置和计算机多媒体技术对钻井及井控的主要工艺流程进行仿真模拟，学生在该平台上可以进行钻井及井控相关的模拟实训操作，在操作过程中平台利用3D动画同步控制技术把地面及井下状态实时反馈和展示出来，使整个操作实训流程与现场工艺流程一致，真正达到实训的效果。

1 钻井及井控仿真实训平台设计方案

钻井及井控仿真实训平台的设计方案如图1所示。结合现场钻井及井控工艺流程所用的设备[13]，确定了该仿真平台的组成部分，主要包括钻机控制操作台、轻触式液晶仪表显示屏、司钻仪表板、防喷器控制台、远程控制操作台、阻流遥控操作控制台、阻流压井管汇、立管管汇等部分。利用计算机控制下的分布式智能网络控制器，把所有设备通过组态软件下的网络通信连为一体，充分发挥组态软件的硬件设备驱动、上位图形界面显示和实时数据库功能。应用OPC(OLE for Process Control)技术，设计组态软件和井控模拟软件数据的共享和交换。利用图像显示系统以二维地层剖面图形，结合三维动画和钻井现场视频文件，根据学生的操作显示或播放，使学生达到身临其境的效果。

图1 钻井及井控仿真实训平台设计方案

钻井及井控仿真实训平台可以实现的功能包括：井下复杂情况模拟、破裂压力试验模拟、井控操作程序模拟、压井过程模拟和国内典型井喷事故案例展示与学习等。

2 钻井及井控仿真实训平台硬件系统

钻井及井控仿真实训平台硬件结构及布局分别如图2所示，其中计算机采用DELL商用电脑，学生操作信号和仪表显示信号处理等采用分布式工业控制模块美国奥普图公司OPTO22系列网络智能数据模块，与上位机采用网络通信的结构，由工业组态软件进行设备驱动。

图2 钻井及井控仿真实训平台硬件结构

3 钻井及井控仿真实训平台软件系统

钻井及井控仿真实训平台软件结构如图3所示。结合现场钻井及井控技术[14-15]，确定软件与硬件相结合可以实现的功能包括钻进过程操作、钻进过程中井下复杂情况判断、起下钻过程操作、关井程序操作、压井过程操作和破压试验等工艺流程。软件和硬件相结合的工作原理是：各种操作通过相应的传感器产生模拟操作信号，数据采集装置把采集到的模拟信号送入计算机，经计算机处理后进行信号识别，通过控制模块进行三维动画的同步控制，实现操作与动画的协调一致，同时在屏幕上进行钻井仪表和数据的显示，利用投影仪和音响设备，可以达到较为真实的模拟操作效果。

图3 钻井及井控仿真实训平台软件结构

(1) 钻进过程操作。钻进过程操作包括钻井泵、转盘和绞车的控制、钻具的上提与下放、钻井过程中钻压的控制等主要钻井过程。学生可掌握钻井过程的主要操作方法和工艺流程，熟悉目前现场的钻头加压方法。通过操作画面上的仪表和参数显示，可以了解井下钻进动态及钻进过程中的注意事项等，加深学生对钻进方法的认识，有利于学生在专业课学习过程中对相关知识的理解。钻进过程的操作画面如图4所示。

(2) 钻进过程中井下复杂情况判断。钻进过程中常见的复杂情况包括井漏、钻具刺漏、钻头故障、卡钻等9种井下复杂情况。复杂情况特征通过相应参数表现出来，要求学生根据参数变化特征及时判断出井下发生了何种复杂情况。

图4 钻进过程操作软件界面

(3) 起下钻过程操作。起下钻过程有固定的操作步骤，也是现场标准化操作中的重要组成部分。借助于该平台学生可以在模拟环境中进行起下钻操作。

(4) 关井程序操作。学习和训练不同工况下发生溢流后的关井方法和关井步骤，包括：钻井过程中发生溢流、起下钻杆时发生溢流、起下钻铤时发生溢流、空井时发生溢流和空井时发生溢流。通过井控实训操作，学生不但可以掌握不同工况下的关井程序，还可以学习关井立压和关井套压的确定方法。发生井涌时关防喷器的界面如图5所示。

图5 发生井涌时关防喷器时的软件界面

(5) 压井操作。提供了常规和非常规压井的模拟操作和压井参数计算，使学生直接体验压井过程中利用节流控制阀控制立压和套压的方法，包括：工程师法压井、司钻法压井、边加重边循环法压井和直推法压井等。图6为利用工程师法压井的软件画面。

4 结 语

钻井及井控综合性仿真实训平台的建设，解决了“钻井工程”专业课教学时缺乏实训设备的问题。学生可以在该仿真平台上进行钻进过程操作、钻进过程中井下复杂情况判断、起下钻过程操作、关井程序操作和压井操作等钻井及井控方面的实训，既是对理论学习的很好补充，又提高了实践操作能力。仿真实训平台将在石油工程专业课教学中发挥重要的作用。

图6 工程师法压井时的软件界面

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Construction of Integrated Simulation Platform for Drilling and Well Control Training

GUOXin-yang，SHIYu-cai，LIURui-wen，BUYu-huan，ZHANGRui，JINYe-quan

(College of Petroleum Engineering， China University of Petroleum， Qingdao 266580， China)

An integrated simulation platform for drilling and well control training is constructed. The simulator and computer multimedia technology are used in the platform to realize the simulation of drilling and well control. The distributed intelligent network controller is used to connect all equipment by network communication of configuration software. The 3D animation synchronization technology is used to display the states of surface and down hole real time. The platform can be used to train students to operate drilling, complications recognition in drilling, tripping simulation, and close procedure and killing procedure by simulation. The training can provide a good complement to theoretical study and improve the ability of practice. The training environment of the platform is safety and the training cost is low. It will play an important role in professional course teaching.

drilling； well control； simulation training platform

2015-01-15

山东省高等学校教学改革项目(2012144)；中国石油大学教学实验技术改革项目(SY-A201205)；中国石油大学精品实验建设项目(201303)；中国石油大学青年教师教学改革项目(QN201406)

郭辛阳(1983-)，男，山东五莲人，博士，高级实验师，主要从事石油工程方面的教学及研究。

Tel.：15266231375；E-mail：gdayang@163.com

TE 28

A

1006-7167(2015)10-0121-03